एक एलईडी कैसे काम करती है?

एलईडी कैसे काम करती है?

आधुनिक जीवन के कई पहलुओं में उपयोग किए जाने के बावजूद, जैसे कि हमारे घरों को रोशन करना, स्मार्टफोन स्क्रीन को पावर देना और ट्रैफ़िक को निर्देशित करना, प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) अपने परिष्कृत अर्धचालक भौतिकी के कारण गरमागरम या फ्लोरोसेंट बल्ब जैसी पारंपरिक प्रकाश प्रौद्योगिकियों से भिन्न होते हैं।एल ई डीइलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करें, जो विशेष रूप से निर्मित अर्धचालक सामग्री के माध्यम से विद्युत प्रवाह प्रवाहित होने पर फोटॉन (प्रकाश कण) का उत्सर्जन होता है। यह तापदीप्त के विपरीत है, जो एक फिलामेंट, या फ्लोरोसेंट को गर्म करके प्रकाश उत्पन्न करता है, जो गैस और यूवी विकिरण का उपयोग करता है। यह कैसे होता है यह समझने के लिए हमें पहले अर्धचालकों के मूल सिद्धांतों, एक एलईडी के डिजाइन और बिजली को दृश्य प्रकाश में परिवर्तित करने वाली अनुक्रमिक प्रक्रिया की जांच करनी चाहिए।

आधार: ऊर्जा और अर्धचालक के बैंड

प्रत्येक एलईडी एक अर्धचालक द्वारा संचालित होती है, एक ऐसा पदार्थ जो कंडक्टरों (जैसे तांबे) की तुलना में कम बिजली का संचालन करता है, लेकिन इंसुलेटर (जैसे कांच) की तुलना में बेहतर होता है। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड {{1}ऊर्जा के वे क्षेत्र जिन पर इलेक्ट्रॉन कब्जा कर सकते हैं{{2}अर्धचालक के विशिष्ट व्यवहार के लिए आवश्यक हैं। सभी सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के अलग-अलग ऊर्जा स्तर होते हैं, लेकिन ठोस पदार्थों में, ये स्तर मिलकर दो प्रमुख बैंड बनाते हैं: चालन बैंड और वैलेंस बैंड।
 

पदार्थ के परमाणुओं को वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉनों द्वारा एक क्रिस्टलीय संरचना में एक साथ रखा जाता है, जो परमाणुओं से मजबूती से जुड़े होते हैं। विद्युत चालकता चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों द्वारा संभव बनाई जाती है, जो पदार्थ के माध्यम से प्रवाहित होने के लिए स्वतंत्र होते हैं। बैंड गैप, ऊर्जा की एक श्रृंखला जिसमें इलेक्ट्रॉन निवास नहीं कर सकते, इन दो बैंडों के बीच मौजूद है। किसी सामग्री के बैंड गैप का आकार यह निर्धारित करता है कि यह एक इन्सुलेटर, कंडक्टर या अर्धचालक है: अर्धचालकों में एक छोटा, मापने योग्य बैंड गैप होता है (इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के एक छोटे इनपुट के साथ अंतराल को पार कर सकते हैं, जैसे विद्युत प्रवाह), कंडक्टरों में कोई बैंड गैप नहीं होता है (इलेक्ट्रॉन बैंड के बीच स्वतंत्र रूप से चलते हैं), और इंसुलेटर में बहुत बड़े बैंड गैप होते हैं (इलेक्ट्रॉनों के लिए चालन बैंड पर कूदना मुश्किल हो जाता है)।

एलईडी में उपयोग किया जाने वाला सेमीकंडक्टर "डोप्ड" होता है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो थोड़ी मात्रा में अशुद्धियाँ जोड़कर सामग्री की विद्युत विशेषताओं को संशोधित करती है। n-प्रकार और p-प्रकार के दोनों अर्धचालक डोपिंग द्वारा निर्मित होते हैं। जब अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों वाले तत्व, जैसे फॉस्फोरस, को एन - प्रकार के अर्धचालकों में डाला जाता है, तो वे चालन बैंड में स्थानांतरित होने के लिए स्वतंत्र हो जाते हैं और सामग्री को शुद्ध नकारात्मक चार्ज देते हैं। कम इलेक्ट्रॉन वाले तत्व, जैसे बोरॉन, का उपयोग P-प्रकार के अर्धचालकों को डोप करने के लिए किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप वैलेंस बैंड में "छेद" या गायब इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो सकारात्मक चार्ज के रूप में कार्य करते हैं और इलेक्ट्रॉनों को भरने के दौरान सामग्री से गुजर सकते हैं। एक LED p-n जंक्शन के कारण कार्य करता है, जो इन दो डोप्ड क्षेत्रों का प्रतिच्छेदन है।
एलईडी की संरचना: प्रकाश आउटपुट से पी - एन जंक्शन तक

एलईडी का सीधा लेकिन सटीक डिज़ाइन ऊर्जा हानि को कम करते हुए प्रकाश उत्पादन को अधिकतम करता है। इसका पी -एन जंक्शन अर्धचालक सामग्री की एक पतली परत में स्थित है, जो आमतौर पर गैलियम - आधारित है, जैसे गैलियम आर्सेनाइड या गैलियम नाइट्राइड। सब्सट्रेट, एक नींव सामग्री जो गर्मी अपव्यय में सहायता और सहायता प्रदान करती है, वह जगह है जहां यह अर्धचालक परत जुड़ी हुई है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि ज़्यादा गरम होने से एलईडी का जीवनकाल छोटा हो सकता है।

एक इलेक्ट्रोड अर्धचालक परत के शीर्ष पर p-प्रकार क्षेत्र (एनोड, एक सकारात्मक टर्मिनल) से जुड़ा होता है और दूसरा n-प्रकार क्षेत्र (कैथोड, एक नकारात्मक टर्मिनल) से जुड़ा होता है। जब इन इलेक्ट्रोडों पर वोल्टेज की आपूर्ति की जाती है (कैथोड ऋणात्मक और एनोड धनात्मक होता है) तो p-n जंक्शन पर एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस क्षेत्र द्वारा n-प्रकार के अर्धचालक के मुक्त इलेक्ट्रॉनों को जंक्शन की ओर धकेला जाता है, जबकि p-प्रकार के अर्धचालक के छिद्रों को एक ही दिशा में खींचा जाता है।

p{0}}n ​​जंक्शन पर उत्पन्न प्रकाश को बाहर निकलने के लिए, अर्धचालक परत पारदर्शी या अर्ध{1}}पारदर्शी होनी चाहिए (या एक तरफ परावर्तक परत होनी चाहिए)। आधुनिकएल ई डीगैलियम नाइट्राइड (GaN) जैसी सामग्रियों का उपयोग करें, जो दृश्य प्रकाश के लिए पारदर्शी हैं और गारंटी देते हैं कि अधिकांश फोटॉन सतह तक पहुंचते हैं, शुरुआती एलईडी के विपरीत, जो अक्सर अपारदर्शी अर्धचालक सामग्री का उपयोग करते थे जो प्रकाश उत्पादन को सीमित करते थे। सेमीकंडक्टर का पी -एन जंक्शन वह जगह है जहां प्राथमिक प्रकाश उत्पादन प्रक्रिया होती है, हालांकि कुछ एलईडी में प्रकाश को केंद्रित करने या उसका रंग बदलने के लिए एक लेंस या कोटिंग भी होती है।

चरण 1: इलेक्ट्रॉन का उपयोग करना-होल पुनर्संयोजन और वोल्टेज

एलईडी के इलेक्ट्रोड को दिया गया एक बाहरी वोल्टेज फॉरवर्ड बायस स्थापित करके प्रकाश उत्सर्जन प्रक्रिया शुरू करता है, जो कि वर्तमान प्रवाह की उचित दिशा हैनेतृत्व कियाकार्य करने के लिए; दूसरी ओर, रिवर्स बायस करंट को रोक देता है और कोई प्रकाश उत्पन्न नहीं करता है। जब फॉरवर्ड बायस लगाया जाता है तो n-प्रकार के क्षेत्र से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को p-प्रकार के क्षेत्र में त्वरित किया जाता है, और p-प्रकार के क्षेत्र से छिद्रों को p-n जंक्शन पर विद्युत क्षेत्र द्वारा n-प्रकार के क्षेत्र में त्वरित किया जाता है।

ये इलेक्ट्रॉन और होल अंततः एक ही दिशा में यात्रा करते समय p{0}}n ​​जंक्शन पर या उसके करीब एक साथ आते हैं। n{2}}प्रकार क्षेत्र के चालन बैंड से एक मुक्त इलेक्ट्रॉन छेद में "गिरता" है जब वह p{3}}प्रकार क्षेत्र के वैलेंस बैंड से एक छेद से टकराता है, जो चालन बैंड में उच्च ऊर्जा अवस्था से वैलेंस बैंड में निम्न ऊर्जा स्तर में बदल जाता है। इस संक्रमण के दौरान इलेक्ट्रॉन और छेद एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसे पुनर्संयोजन के रूप में जाना जाता है, और जो अतिरिक्त ऊर्जा वे खोते हैं वह फोटॉन के रूप में उत्सर्जित होती है।
सेमीकंडक्टर के बैंड गैप का आकार सीधे इस फोटॉन की ऊर्जा को प्रभावित करता है, जो प्रकाश को उसका रंग देता है। उच्च ऊर्जा (और छोटी तरंग दैर्ध्य, जैसे नीली या बैंगनी रोशनी) वाला एक फोटॉन तब बनता है जब एक इलेक्ट्रॉन एक छेद के साथ पुनः संयोजित होता है और एक व्यापक बैंड अंतराल के कारण अधिक ऊर्जा खो देता है। लंबी तरंग दैर्ध्य वाला एक फोटॉन, जैसे लाल या नारंगी प्रकाश, और कम ऊर्जा एक छोटे बैंड गैप द्वारा उत्पन्न होती है।

उदाहरण के लिए:

अपने संकीर्ण बैंड गैप के कारण, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) लगभग 650 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ लाल रोशनी उत्सर्जित करता है। इसके व्यापक बैंड गैप के कारण, गैलियम नाइट्राइड (GaN) लगभग 450 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ नीली या बैंगनी रोशनी उत्सर्जित करता है।

निर्माता विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों (जैसे गैलियम इंडियम नाइट्राइड, या InGaN) (नीचे सफेद एलईडी पर अधिक) को मिलाकर हरे, पीले, या यहां तक ​​कि सफेद रोशनी उत्पन्न करने वाले एलईडी का उत्पादन करने के लिए बैंड गैप को संशोधित कर सकते हैं।

चरण 2: दक्षता और प्रकाश निष्कर्षण

पुनर्संयोजन द्वारा उत्पन्न कुछ फोटॉन अर्धचालक सामग्री द्वारा ही अवशोषित कर लिए जाते हैं, जबकि अन्य इलेक्ट्रोड या पी{0}}एन जंक्शन से परावर्तित होते हैं और गर्मी के रूप में जारी होते हैं। इनमें से सभी फोटॉन नहीं निकलतेनेतृत्व कियादृश्यमान प्रकाश के रूप में. एलईडी डिजाइनर दक्षता को अनुकूलित करने के लिए "प्रकाश निष्कर्षण" को बढ़ाने के लिए कई रणनीतियों का उपयोग करते हैं:

सब्सट्रेट जो पारदर्शी होते हैं: अधिकांश प्रकाश शुरुआती एलईडी में उपयोग किए गए अपारदर्शी सब्सट्रेट (जैसे जर्मेनियम) द्वारा फंस गया था। सिलिकॉन कार्बाइड या नीलमणि जैसे पारदर्शी सब्सट्रेट्स का उपयोग आधुनिक एलईडी में फोटॉन को सतह तक पहुंचने देने के लिए किया जाता है।
बनावट वाली सतहें: सामग्री में वापस परावर्तित प्रकाश की मात्रा को कम करने के लिए, अर्धचालक की सतह को अक्सर छोटे पैटर्न, जैसे धक्कों या खांचे से उकेरा जाता है। उस कोण को बदलने से जिस पर प्रकाश सतह से टकराता है, इससे संभावना बढ़ जाती है कि वह वापस उछलने के बजाय बच जाएगा।

परावर्तक परतें: अर्धचालक का पिछला भाग परावर्तन की एक पतली परत से ढका होता है, जो अक्सर एल्यूमीनियम या चांदी जैसी धातु से बना होता है। यह परत फोटोन को परावर्तित करके एलईडी से निकलने वाले प्रकाश की मात्रा को बढ़ाती है जो अन्यथा सब्सट्रेट के माध्यम से एलईडी के सामने की ओर खो जाते।

हालांकि गरमागरम रोशनी की तुलना में बहुत कम, इन प्रगति के बावजूद कुछ ऊर्जा अभी भी गर्मी के रूप में नष्ट हो जाती है। एलईडी में गर्मी के रूप में केवल 10-25% ऊर्जा नष्ट होती है, जबकि 75-90% ऊर्जा प्रकाश में परिवर्तित हो जाती है, जबकि गरमागरम लैंप में 90-95% ऊर्जा नष्ट हो जाती है। अपनी उत्कृष्ट दक्षता के कारण, एलईडी पारंपरिक रोशनी की तुलना में बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करते हैं।

सफेद एलईडी कैसे संचालित होती हैं: एक अनोखी स्थिति

अधिकांश एलईडी केवल एक रंग, या मोनोक्रोमैटिक प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, लेकिन सफेद एलईडी, जो हेडलाइट्स, टीवी और घरेलू प्रकाश व्यवस्था में उपयोग की जाती हैं, के लिए एक अलग रणनीति की आवश्यकता होती है क्योंकि बैंड गैप के साथ कोई अर्धचालक सामग्री नहीं होती है जो सीधे सफेद रोशनी पैदा करती है। बल्कि, सफेद एल ई डी दो प्राथमिक तकनीकों में से एक का उपयोग करते हैं:

फॉस्फोरस का रूपांतरण: एक नीलानेतृत्व किया(गैलियम नाइट्राइड से बना) पीले फॉस्फोर से ढका हुआ {{0}एक पदार्थ जो एक तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करता है और दूसरे तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को उत्सर्जित करता है {{1}का उपयोग सबसे लोकप्रिय तकनीक में किया जाता है। फॉस्फोर नीली एलईडी द्वारा उत्सर्जित कुछ नीले फोटॉनों को अवशोषित करता है और पीले फोटॉनों को पुनः उत्सर्जित करता है। हमारी आंखें बचे हुए नीले फोटॉन को पीले फोटॉन के साथ संयोजित होने पर सफेद रोशनी के रूप में समझती हैं। निर्माता रंग तापमान, या सफेद रोशनी की "गर्मी" या "शीतलता" को बदलने के लिए कोटिंग में लाल या हरे फॉस्फोर की थोड़ी मात्रा जोड़ते हैं। उदाहरण के लिए, अतिरिक्त नीली रोशनी जोड़ने से ठंडी सफेद रोशनी (5,000K-6,500K) पैदा होती है, जबकि लाल फॉस्फोर जोड़ने से गर्म सफेद रोशनी (2,700K-3,000K) पैदा होती है।

आरजीबी मिक्सिंग: यह कम लोकप्रिय तकनीक तीन अलग-अलग एलईडी {{0}लाल, हरा और नीला {{1}को एक ही पैकेज में जोड़ती है। प्रत्येक एलईडी की चमक को अलग-अलग करके तीन रंग मिलकर सफेद रोशनी (या कोई अन्य दृश्यमान स्पेक्ट्रम रंग) बनाते हैं। हालाँकि यह तकनीक फॉस्फोर रूपांतरण की तुलना में अधिक महंगी है, लेकिन इसका उपयोग सटीक रंग प्रबंधन की आवश्यकता वाली स्थितियों में किया जाता है, जैसे कि स्टेज लाइटिंग या उच्च अंत डिस्प्ले।

एलईडी और पारंपरिक प्रकाश व्यवस्था के बीच अंतर

यह जानने से कि एलईडी कैसे काम करते हैं, यह देखना आसान हो जाता है कि वे लगभग हर श्रेणी में फ्लोरोसेंट और गरमागरम बल्बों से बेहतर प्रदर्शन क्यों करते हैं:

ऊर्जा दक्षता: एलईडी इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस का उपयोग करते हैं, जो स्वाभाविक रूप से कुशल है; तापदीप्त के विपरीत, जो फिलामेंट को गर्म करने में ऊर्जा खर्च करते हैं, फ्लोरोसेंट यूवी विकिरण पैदा करने वाली ऊर्जा बर्बाद नहीं करते हैं।

लंबा जीवनकाल: एलईडी आसानी से नहीं जलते क्योंकि उनमें कोई हिलने वाला भाग या नाजुक फिलामेंट नहीं होता है। गरमागरम लैंप के विपरीत, जिसका जीवनकाल 1,000-2,000 घंटे होता है, समय के साथ सेमीकंडक्टर सामग्री के अत्यधिक क्रमिक क्षरण के कारण एलईडी का जीवनकाल 50,000-100,000 घंटे होता है।

तत्काल चालू/बंद: फ्लोरोसेंट के विपरीत, जिसे पूरी तरह से रोशन होने के लिए कुछ सेकंड की आवश्यकता होती है, एल ई डी में गर्म होने का कोई समय नहीं होता है और यह तुरंत पूर्ण चमक के लिए सक्रिय हो जाता है।

स्थायित्व: क्योंकिएल ई डीठोस अवस्था वाले इलेक्ट्रॉनिक्स हैं, वे झटके, कंपन और उच्च तापमान का सामना कर सकते हैं, जो उन्हें बाहरी अनुप्रयोगों या कठोर सेटिंग्स (जैसे ऑटोमोबाइल या कारखानों) के लिए बिल्कुल सही बनाता है।

एलईडी प्रौद्योगिकी का भविष्य

नए विकास एलईडी तकनीक की क्षमता को बढ़ा रहे हैं क्योंकि शोधकर्ता और इंजीनियर इसमें सुधार करना जारी रख रहे हैं। उदाहरण के लिए:
QLEDs, या क्वांटम डॉट LED: ये क्वांटम डॉट्स का उपयोग करके चमक और रंग सटीकता में सुधार करते हैं, जो छोटे अर्धचालक कण होते हैं। शोधकर्ता QLEDs को सामान्य प्रकाश व्यवस्था के लिए अधिक ऊर्जा कुशल बनाने का प्रयास कर रहे हैं, और वे वर्तमान में उच्च श्रेणी के टीवी में पाए जाते हैं।

माइक्रो एल ई डी: ये अविश्वसनीय रूप से छोटे एल ई डी, जो केवल कुछ माइक्रोमीटर के हैं, को लचीली रोशनी या उच्च रिज़ॉल्यूशन स्क्रीन उत्पन्न करने के लिए घने सरणी में समूहीकृत किया जा सकता है। भविष्य के स्मार्टफोन और टीवी में उनके लंबे जीवनकाल और बेहतर आउटपुट के कारण ओएलईडी के बजाय माइक्रो एलईडी का उपयोग करने का अनुमान है।

पेरोव्स्काइट एलईडी: पारंपरिक गैलियम आधारित सामग्रियों की तुलना में, पेरोव्स्काइट एक नई प्रकार की अर्धचालक सामग्री है जिसका उत्पादन करना कम महंगा है। शोधकर्ता व्यावसायिक उपयोग के लिए पेरोव्स्काइट एलईडी की स्थिरता बढ़ाने की कोशिश कर रहे हैं क्योंकि उन्होंने उज्ज्वल, कुशल प्रकाश देने में वादा दिखाया है।

निष्कर्ष के तौर पर

एल ई डीएपी{0}एन जंक्शन के साथ डोप्ड सेमीकंडक्टर से बने बहुत सीधे उपकरण हैं जो विद्युत ऊर्जा को प्रकाश में बदलने के लिए इलेक्ट्रॉन{1}होल पुनर्संयोजन का उपयोग करते हैं। वे अब तक विकसित सबसे प्रभावी और अनुकूलनीय प्रकाश प्रौद्योगिकियों में से एक हैं, लेकिन उनकी सादगी उनके निर्माण की जटिलता को छुपाती है, जिसमें प्रकाश निष्कर्षण की इंजीनियरिंग से लेकर बैंड गैप के सटीक विनियमन तक सब कुछ शामिल है। यह जानने से कि एल ई डी कैसे काम करते हैं, हमें उन परिष्कृत विज्ञान को समझने की अनुमति मिलती है जो उन्हें रेखांकित करते हैं और साथ ही उनके उपयोगी फायदे (लंबे जीवनकाल, सस्ती ऊर्जा लागत) भी समझते हैं। जैसे-जैसे एलईडी तकनीक आगे विकसित होती है, यह संभवतः वैश्विक ऊर्जा उपयोग को कम करने, जलवायु परिवर्तन को रोकने और भविष्य में प्रकाश डिजाइन को प्रभावित करने में और भी अधिक योगदान देगी, यह दर्शाता है कि कभी-कभी सबसे महत्वपूर्ण सफलताएं सबसे मौलिक वैज्ञानिक सिद्धांतों से आती हैं।

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